王 涵,姜 通,張國升

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

0 引言

我國研制的新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星采用全新的衛(wèi)星平臺(tái)。作為一個(gè)全新的衛(wèi)星平臺(tái),需滿足衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)正常工作的要求。測(cè)控天線作為衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)的重要組成部分,實(shí)現(xiàn)地面遙控指令的接收與衛(wèi)星遙測(cè)信息的發(fā)送,是衛(wèi)星與地面間的“橋梁”,因此測(cè)控天線設(shè)計(jì)是保證測(cè)控系統(tǒng)正常工作的重要環(huán)節(jié)。與星上其他天線不同,為保證衛(wèi)星在任何條件下測(cè)控通信都能正常工作,在滿足增益要求的同時(shí),要求天線波束盡可能寬,其理想狀態(tài)要求天線波束覆蓋為全向,實(shí)際要求測(cè)控天線具備準(zhǔn)全向波束。本文對(duì)一種滿足靜止氣象衛(wèi)星測(cè)控要求的天線設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 衛(wèi)星平臺(tái)

我國新一代靜止氣象衛(wèi)星姿態(tài)控制采用三軸穩(wěn)定,與第一代自旋穩(wěn)定的衛(wèi)星相比,其特點(diǎn)為：一是新平臺(tái)攜帶載荷多。除原可見光及紅外觀測(cè)外,增加了大氣垂直觀測(cè)、閃電觀測(cè)等對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。二是覆蓋頻段范圍廣,無線傳輸通道多。頻段從UHF頻段到X頻段,天線既有接收通道也有發(fā)射通道。為提高衛(wèi)星業(yè)務(wù)能力,星上還采用了極化復(fù)用和頻分復(fù)用。三是信息傳輸速率高。遙感器速率可達(dá)每秒數(shù)百兆位。四是采用三軸穩(wěn)定方式工作,顯著增加了衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的時(shí)間。

2 測(cè)控天線方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)組成

測(cè)控系統(tǒng)由應(yīng)答機(jī)、功放、雙工器、天線網(wǎng)絡(luò)和測(cè)控天線等組成,如圖1所示。其中：測(cè)控天線采用收發(fā)共用方式。對(duì)天、對(duì)地面各2副天線,對(duì)天面天線與對(duì)地面天線組成近全向覆蓋的方向圖,2組天線為異頻備份。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)組成Fig.1 Principle of telemetry and telecommand system

2.2 天線指標(biāo)要求

測(cè)控天線的電性能指標(biāo)要求見表1。由測(cè)控系統(tǒng)的鏈路計(jì)算可知：若測(cè)控系統(tǒng)要求接收機(jī)入口處的增益不小于-6.0 dBi,則到達(dá)天線端口處的增益要求為(-6.0+3.0+1.5+0.5)dB=-1.0 dBi,其中天線網(wǎng)絡(luò)損耗3.0 d B,多工器損耗1.5 dB,天線饋線損耗0.5 d B。由此,為滿足測(cè)控分系統(tǒng)要求,測(cè)控天線增益不小于-1.0 dB。為驗(yàn)證此方案,用FEKO電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行了仿真。

表1 測(cè)控天線電性能技術(shù)指標(biāo)Tab.1 TT&C antenna electrical performance specifications

2.3 天線設(shè)計(jì)與性能仿真

2.3.1 設(shè)計(jì)原則

螺旋天線可滿足天線性能指標(biāo),其中雙臂椎螺旋或柱錐螺旋均為可選方案,但因柱錐螺旋直徑相對(duì)較小,故本文采用了柱錐螺旋：天線由上下兩部分組成,其中下部為5圈螺旋組成的柱螺旋,上部為2圈。天線采用頂部饋電的方式,其主要輻射區(qū)域是頂部的圓椎螺旋部分。圓錐螺旋天線的輻射沿軸指向圓錐頂點(diǎn)方向,具單向輻射特性。圓錐螺旋天線受激勵(lì)后會(huì)在螺旋線上產(chǎn)生T0,T1,T2模電流[1-2]。因圓錐螺旋線半徑為變量,當(dāng)螺旋周長2πa?λ(此處：a為螺旋的半徑;λ為工作波長)時(shí),主要以T0模為主,相當(dāng)于螺旋慢旋慢波傳輸線,該模式中電磁能量幾乎不輻射。隨著往末端推移,當(dāng)2πa大致為0.8λ～1.3λ時(shí),電流波主要以T1模式存在,產(chǎn)生穩(wěn)定的后向輻射(即指向圓錐頂點(diǎn)方向的輻射),該輻射能量方向與電流行進(jìn)方向相反。當(dāng)2πa＞1.3λ時(shí),將激勵(lì)形成T2,T3等高次模,但主要以T 2模為主,其他高次模因能量很小,對(duì)整體輻射性能影響可忽略,T2模特性是最大輻射指向偏離軸向方向。

根據(jù)圓錐螺旋的輻射特性,以及對(duì)測(cè)控天線要求具單向輻射寬波束特性,要求設(shè)計(jì)的圓錐螺旋部分具輻射T1,T2模的特性。本文取中心頻點(diǎn)為2.2 GHz,λ=0.136 m,并考慮工程實(shí)際,饋電部分不能太大,螺旋半徑分別為5,35 mm(0.2λ～1.6λ),螺距52 mm。圓錐螺旋下面的柱螺旋部分主要用于改善輻射方向圖的后瓣,提高天線前后比。

2.3.2 單天線性能仿真

在FEKO仿真軟件中建立天線仿真模型如圖2所示。用矩量法對(duì)測(cè)控天線電磁特性進(jìn)行了仿真,結(jié)果如圖3所示[3-4]。由圖可知：測(cè)控單天線增益約3 d Bi,±80°波束角內(nèi)增益不小于0 dBi。單天線性能滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

圖2 測(cè)控天線仿真模型Fig.2 TT&C antenna simulation

測(cè)控天線合成方向圖仿真結(jié)果如圖4所示。由于功分器的影響,方向圖合成后增益下降了3d B,此時(shí)天線輸出端口處的增益約0 d Bi,且在天線方向圖中出現(xiàn)了明顯的干涉區(qū)。干涉區(qū)是由對(duì)天對(duì)地天線電磁場能量相互疊加形成的。在干涉區(qū)存在區(qū)域,天線增益出現(xiàn)劇烈波動(dòng),部分點(diǎn)的增益會(huì)變得非常低。由于地球同步軌道衛(wèi)星覆蓋地球的波束角為±9°左右,衛(wèi)星在太空中一個(gè)小角度的變動(dòng)經(jīng)星地距離放大后會(huì)對(duì)地球站或衛(wèi)星接收的信號(hào)產(chǎn)生很大影響。因此,新一代靜止氣象衛(wèi)星測(cè)控天線方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一是在保證天線增益的前提下避開天線干涉區(qū)的影響,尤其在衛(wèi)星變軌階段。由圖4可知：干涉區(qū)的范圍約為±20°,無法滿足衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)“允許對(duì)天和對(duì)地兩天線間的干涉區(qū)(在±90°以外),存在不大于5°的范圍內(nèi),天線凈增益小于-12 dBi的盲區(qū)”要求。

3 方案優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案描述

由前文仿真發(fā)現(xiàn),原測(cè)控天線方案的干涉區(qū)過大,天線增益在±80°范圍內(nèi)靠近指標(biāo)臨界值。為使衛(wèi)星定點(diǎn)后測(cè)控不受天線干涉區(qū)的影響,考慮在衛(wèi)星變軌階段測(cè)控避免干涉區(qū)的影響。為此,參考東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)控方案,測(cè)控天線斜裝16°,將干涉區(qū)偏移一個(gè)角度,另外為滿足對(duì)地面天線增益盡可能大的要求,地面測(cè)控天線采取寬波束,天面測(cè)控天線采取窄波束。

圖4 天線合成方向圖Fig.4 Pattern of antenna combination

單天線設(shè)計(jì)中,對(duì)地面測(cè)控天線的圓錐部分增加錐底半徑以增大T2模輻射強(qiáng)度,展寬波束;對(duì)天面的測(cè)控天線減小圓錐部分錐底半徑以減少T2的模輻射強(qiáng)度并增大T1模的輻射強(qiáng)度。同時(shí)為平衡對(duì)地面和對(duì)天面測(cè)控天線因波束變化導(dǎo)致的合成方向圖增益不一致,采取不等功率的饋電形式,功分比為2∶1。

優(yōu)化后的測(cè)控覆蓋如圖5所示,圖中陰影部分為干涉區(qū)。其調(diào)整后的測(cè)控天線指標(biāo)見表2。

圖5 優(yōu)化后測(cè)控覆蓋Fig.5 Optimized TT&Cantenna coverage

表2 優(yōu)化后測(cè)控天線指標(biāo)Tab.2 Optimized TT&Cantenna performancespecifications

3.2 優(yōu)化后天線仿真

3.2.1 單天線仿真

優(yōu)化的對(duì)地面和對(duì)天面天線仿真結(jié)果分別如圖6、7所示。

圖6 優(yōu)化后對(duì)地面測(cè)控天線方向圖Fig.6 Optimized pattern of antenna facing earth

由圖6、7可知：對(duì)地面天線增益0 d Bi的波束寬度由原方案的±80°提高為±90°;對(duì)天面天線采取窄波束,增益約8.5 d Bi。采取不同增益天線是為配合功率不等分饋電后對(duì)地、對(duì)天天線合成方向圖增益保持一致。

圖7 優(yōu)化后對(duì)天面測(cè)控天線方向圖Fig.7 Optimized pattern of antenna facing space

3.2.2 天線合成方向圖

優(yōu)化后天線合成方向圖仿真結(jié)果如圖8所示。某型號(hào)測(cè)控天線(不等功率饋電)的實(shí)測(cè)方向圖如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后天線合成方向圖(天線未斜裝)Fig.8 Optimized combination pattern(antenna not inclined loading)

由圖8、9的比較可知：優(yōu)化后的測(cè)控天線方案具可行性,且能滿足測(cè)控系統(tǒng)的要求。

圖9 某型號(hào)測(cè)控天線實(shí)測(cè)方向圖Fig.9 Measured pattern of some antenna

4 衛(wèi)星對(duì)測(cè)控天線性能影響

新一代靜止氣象衛(wèi)星攜帶載荷多,整星結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜,尤其是衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)面布有較多數(shù)量的觀測(cè)儀器,整星的電磁環(huán)境惡劣,對(duì)整星天線布局的要求更高。因此,分析天線裝星后的電磁特性,研究衛(wèi)星本體及其載荷對(duì)天線性能的影響就十分必要。

測(cè)控天線裝星(天線斜裝16°)后,衛(wèi)星對(duì)測(cè)控天線性能影響的仿真結(jié)果如圖10、11所示。由圖可知：測(cè)控天線裝星后受天線周圍載荷及其他天線的影響,天線方向圖出現(xiàn)了凹點(diǎn),增益最小值為約-1 d Bi[5]?？紤]天線網(wǎng)絡(luò)及饋線損耗的影響并減去仿真結(jié)果與實(shí)際天線性能間的誤差1 d B,到達(dá)接收機(jī)端口處的增益已超出測(cè)控系統(tǒng)要求的-6 dBi指標(biāo),因此需考慮提高對(duì)地面測(cè)控天線支架,以減少天線周圍載荷對(duì)天線方向圖的影響。

5 結(jié)束語

根據(jù)新一代靜止氣象衛(wèi)星測(cè)控要求,本文選擇并設(shè)計(jì)了滿足測(cè)控指標(biāo)要求的天線形式,分析了天線干涉區(qū)對(duì)測(cè)控的影響。并提出了改進(jìn)的測(cè)控天線設(shè)計(jì)方案。通過采用對(duì)地天線寬波束,對(duì)天天線窄波束,不等分功率饋電及天線斜裝等多種設(shè)計(jì),使地面測(cè)控站在發(fā)送遙控指令時(shí)能避開天線干涉區(qū)的影響。仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致,表明方案具可行性,可滿足我國下一代靜止氣象衛(wèi)星測(cè)控要求。

圖10 整星狀態(tài)測(cè)控天線極坐標(biāo)方向圖Fig.10 TT&C antenna polar pattern on stateof whole satellite

圖11 整星狀態(tài)測(cè)控天線直角坐標(biāo)方向圖Fig.11 TT&C antenna Cartesian coordinate pattern on stateof wholesatellite

[1]葉云裳.航天器天線——理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[2]魏文元,宮德明,陳必森.天線原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,1995.

[3]哈林登RF.計(jì)算電磁場中的矩量法[M].北京：國防工業(yè)出版社,1985.

[4]李世智.電磁輻射與散射問題的矩量法[M].北京：電子工業(yè)出版社,1985.

[5]HRIASAWA K.Bounds of uncertain interference between closely located antennas[J].IEEE Transaction on EMC,1984,26(3)：129-133.